量子物理は時間を逆戻りさせられるか？ 時間の矢を丁寧に解説

「科学者が量子の時間を逆流させた」は、2026年に最も多く共有された物理のニュースの見出しの一つでした^[1]。ロスアラモス国立研究所の物理学者による実際の研究は、繊細で本当に興味深いものです。テーマは時間の矢、つまりなぜそれが存在するのか、そして量子系を測定するとそれがどう曲げられるのかです。見出しと物理はまったく同じではないので、この記事では丁寧に説明します。

そもそも時間にはなぜ向きがあるのか

GCSE基礎

ビリヤードの球がクッションで跳ね返る様子を撮影して逆再生しても、まだありそうな光景に見えます。運動の基本法則はどちらの向きでも同じように成り立つからです。でも卵が割れる様子を逆再生すれば、誰でも逆向きだとわかります。違いはエントロピー、おおまかに言えば系のエネルギーと粒子の並べ方が何通りあるかの尺度です。熱力学第二法則は、孤立系の全エントロピーは減らないと述べています。卵は割れ、熱は高温から低温へ流れ、香水は部屋に広がります。この一方通行の傾向を、物理学者は時間の矢と呼びます。

測定は量子系にも矢を与える

A-Level発展

量子物理では、系を測定することは受け身の行為ではなく、系を乱します（測定の反作用）。測定を繰り返すと量子系はランダムな経路に押し出され、その経路にもエントロピー生成で表せる自然な向きがあります。ロスアラモスのチームは問いかけました。連続的に測定してすぐに応答すれば、その向きを制御できるだろうか？

答えは、理論上はイエスでした。慎重に設計した制御場（設計されたハミルトニアン、つまり系に働く力を選んで組み合わせたもの）とフィードバックを組み合わせると、測定される系を、時間の矢が抑えられたり、引き伸ばされたり、ぼやけたり、さらには反転したりした経路に導けることを示したのです。その経路は時間が逆に流れているのと矛盾しないように見えます^[1]。

「私たちが構築した道具は、知覚される時間の矢を操作でき、量子系を制御する意外で新しい方法につながる」――ルイス・ペドロ・ガルシア＝ピントス（ロスアラモス）^[1]

測定からエネルギーを

チームは「測定エンジン」も提案しました。量子測定が引き起こす乱れから、有用なエネルギーを直接取り出す方法です。彼らの言葉を借りれば、量子測定は「仕事をするために活用できる熱力学的な資源」になります^[1]。

なぜ重要になりうるか

• 量子コンピューティング：量子ビットは周囲の環境や測定によって絶えず乱されます。その乱れを導いたり、打ち消したり、再利用したりするよい方法は、量子ビットの制御に役立つかもしれません。
• 量子熱力学：測定がいつ仕事の源になりうるかを理解すれば、計算の本当のエネルギーコストを定めやすくなります。
• 基礎物理：時間の矢がどこから来るのかという問いがより鋭くなります。

熱力学と量子測定は、物理で最も誤解されやすいテーマであり、最もやりがいのあるテーマでもあります。量子の「何もない空間」が本当に仕事をする別の例として、真空のゆらぎが超伝導体を強くする仕組みもどうぞ。